Tierärztliche Hochschule Hannover
Untersuchungen zu Effekten der Substitution von Pankreasenzymen sowie besonderer Ergänzungen von Vitamin A und E bei wachsenden pankreasgangligierten Schweinen als Modell für die Pankreasinsuffizienz
von Kindern
INAUGURAL – DISSERTATION
Zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae-
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Teresa Elisabeth Schwarzmaier aus Berlin
Hannover 2012
1. Gutachter: Univ.-Prof. J. Kamphues 2. Gutachter: Univ.-Prof. E. Große-Beilage
Tag der mündlichen Prüfung: 15.05.2012
Meiner Familie
Teile dieser Dissertation wurden bereits auf folgenden Tagungen vorgestellt:
65. Jahrestagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen 15.-17.3.2011
MÖSSELER, A., T. SCHWARZMAIER, J. GRUNEMANN, A. CALLIES, P.-C.
GREGROY, J. KAMPHUES
Effects of exocrine pancreatic insufficiency (EPI) in growing individuals – preliminary results of a study in pancreatic duct ligated young pigs as a model for children suffering from EPI 15th Conference of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition
Saragossa, Spanien, 14.-16.09.2011
SCHWARZMAIER, T., A. MÖSSELER, J. GRUNEMANN, P.C. GREGORY, J.
KAMPHUES
Effects of parenteral vs. oral application of vitamin A & E on their levels in serum and liver tissue of growing pancreatic duct ligated (PL) pigs - used as a model for human pancreatic exocrine insufficiency (PEI)
Proc. 15th ESVCN Conference, S. 134
15th Conference of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition Saragossa, Spanien, 14.-16.09.2011
MÖSSELER, A., T. SCHWARZMAIER, J. GRUNEMANN, P.C. GREGORY, J.
KAMPHUES
Young pancreatic duct ligated pigs as a model for children suffering from pancreatic exocrine insufficiency (PEI): effects of PEI and enzyme substitution on the mass of the gastrointestinal tract (GIT) as well as chyme quantity and quality
Proc. 15th ESVCN Conference, S. 81 32. Deutscher Pankreasclub
Marburg, Deutschland, 17.-19.11.2011
MÖSSELER, A., T. SCHWARZMAIER, J. GRUNEMANN, P. C. GREGORY, J.
KAMPHUES
Young pancreatic duct ligated pigs as a model for children sufering from PEI; Effects of PEI and enzyme substitution on the mass of gastrointestinal tract as well as chyme quality and quantity
66. Jahrestagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen 20.-22.3.2012
MÖSSELER, A., T. SCHWARZMAIER, P-C. GREGORY, J. GRUNEMANN, J.
KAMPHUES
Enlargement (weight and length) of the small and large intestine of young pigs due to reduced prececal digestibility – in response to inhanced microbial activity?
Proc Nutr Physiol (2012) S. 104
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 1
2 Schrifttum ... 3
2.1 Mukoviszidose ... 3
2.1.1 Genetik ... 3
2.1.2 Zellbiologie des CFTR-Kanals... 3
2.1.3 Diagnostik ... 5
2.1.3.1 „Carrier“-Diagnostik ... 5
2.1.3.2 Neugeborenenscreening ... 5
2.1.3.3 Diagnosestellung infolge der klinischen Symptomatik ... 6
2.1.4 Klinisches Erscheinungsbild/Auswirkungen der Mukoviszidose ... 7
2.1.4.1 Pankreassymptomatik ... 7
2.1.4.2 Darmsymptomatik ... 8
2.1.4.3 Atemwegssymptomatik ... 8
2.1.4.4 Auswirkungen der Mukoviszidose auf das Wachstum ... 9
2.1.5 Auswirkungen der Pankreasinsuffizienz ... 10
2.1.5.1 Fettverdaulichkeit ... 10
2.1.5.2 Rohproteinverdaulichkeit ... 11
2.1.5.3 Stärkeverdaulichkeit ... 11
2.1.5.4 Resorption von fettlöslichen Vitaminen (A und E) ... 12
2.1.5.5 Intestinale Mikroflora ... 13
2.1.5.6 Chymus- und Stuhl- bzw. Kotmengen ... 13
2.1.5.7 Verschiedene Chymusparameter ... 14
2.1.6 Ernährung von Mukoviszidose Patienten und Versorgung ... 14
2.1.6.1 Energie ... 14
2.1.6.2 Vitamine ... 14
2.1.6.3 Mengenelemente ... 15
2.1.6.4 Spurenelemente ... 15
2.1.7 Therapie der Mukoviszidose ... 16
2.2 Fettlösliche Vitamine ... 18
2.2.1 Vitamin A ... 18
2.2.1.1 Vorkommen ... 18
2.2.1.2 Stoffwechsel der Carotinoide ... 18
2.2.1.3 Stoffwechsel von Retinol und Retinylestern ... 19
2.2.1.4 Bedeutung im Körper ... 20
2.2.1.5 Hypovitaminose A ... 21
2.2.2 Vitamin E ... 22
2.2.2.1 Vorkommen ... 22
2.2.2.2 Stoffwechsel ... 23
2.2.2.3 Bedeutung von Vitamin E im Körper ... 23
2.2.2.4 Hypovitaminose E ... 24
2.3 Einfluss der PEI auf diverse Chymusparameter ... 24
2.3.1 Keimzahlen und mikrobielle Fermentation von Nährstoffen im GIT ... 24
2.3.2 pH ... 28
3 Eigene Untersuchungen ... 31
3.1 Material und Methoden ... 31
3.1.1 Versuchsziel ... 31
3.1.2 Versuchstiere ... 32
3.1.3 Operationstechnik zur Induktion der pankreatischen exokrinen Insuffizienz .. 33
3.1.3.1 Narkose ... 33
3.1.3.2 Ligatur des Pankreasganges ... 34
3.1.3.3 OP der Kontrolltiere („Schein-OP“) ... 34
3.1.3.4 Postoperative Versorgung ... 34
3.1.3.5 Überprüfung der Funktion des exokrinen Pankreas ... 34
3.1.4 Haltung ... 34
3.1.5 Versuchsfutter und Fütterung ... 35
3.1.6 Enzymsubstitution ... 37
3.1.7 Versuchsaufbau ... 38
3.1.7.1 1. Durchgang ... 38
3.1.7.2 2. Durchgang ... 39
3.1.8 Probenentnahme ... 42
3.1.8.1 Kotproben ... 42
3.1.8.2 Chymusproben ... 42
3.1.8.3 Blutproben ... 42
3.1.9 Untersuchungsparameter ... 42
3.1.10 Untersuchungsmethoden ... 44
3.1.11 Bestimmung der Verdaulichkeit ... 48
3.1.11.1 Kollektionsmethode ... 48
3.1.11.2 Indikatormethode ... 49
3.1.12 Kalkulation der umsetzbaren Energie (ME) ... 49
3.1.13 Statistische Methoden ... 49
3.2 Ergebnisse ... 51
3.2.1 1. Durchgang ... 51
3.2.1.1 Futteraufnahme ... 51
3.2.1.2 Verdaulichkeit über den gesamten GIT (oS/Rp/Rfe/Stärke) ... 53
3.2.1.3 Ileale und colonale Verdaulichkeitswerte (oS/Rp/Rfe/Stärke) ... 55
3.2.1.4 KM-Entwicklung ... 56
3.2.1.5 Futteraufwand ... 58
3.2.1.6 Organmassen der einzelnen Abschnitte des GIT ... 59
3.2.1.7 Länge von Dünndarm und Colon ... 60
3.2.1.8 Chymusmassen in den einzelnen Abschnitten des GIT ... 61
3.2.1.9 Chymusparameter ... 63
3.2.1.9.1 TS-Gehalte ... 63
3.2.1.9.2 pH-Werte im Chymus ... 64
3.2.1.9.3 Stärkekonzentration im Chymus ... 65
3.2.1.9.4 Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren im Chymus ... 65
3.2.1.9.5 Laktatkonzentration im Chymus ... 68
3.2.1.10 Vitamin A- und E-Konzentrationen in Serum und Lebergewebe ... 68
3.2.1.10.1 Vitamin A-Konzentration im Serum ... 69
3.2.1.10.2 Vitamin A-Konzentration im Lebergewebe ... 70
3.2.1.10.3 Vitamin E-Konzentration im Serum ... 70
3.2.1.10.4 Vitamin E-Konzentration im Lebergewebe ... 71
3.2.2 2. Durchgang ... 72
3.2.2.1 Futteraufnahme ... 73
3.2.2.2 Verdaulichkeitswerte über den gesamten GIT (oS/Rp/Rfe/Stärke) ... 75
3.2.2.3 Ileale und colonale Verdaulichkeitswerte (oS/Rp/Rfe/Stärke) ... 77
3.2.2.4 KM-Entwicklung ... 78
3.2.2.5 Futteraufwand ... 80
3.2.2.6 Bauchumfang ... 80
3.2.2.7 Organmassen der einzelnen Abschnitte des GIT ... 81
3.2.2.8 Länge von Dünndarm und Colon ... 82
3.2.2.9 Chymusmassen in den einzelnen Abschnitten des GIT ... 83
3.2.2.10 Anteil des „Hinterbeins“ an der KM ... 84
3.2.2.11 Vitamin A- und E-Gehalte in Serum und Leber ... 84
3.2.2.11.1 Konzentrationen von Vitamin A im Serum ... 84
3.2.2.11.2 Konzentration von Vitamin A im Lebergewebe ... 85
3.2.2.11.3 Konzentration von Vitamin E im Serum ... 86
3.2.2.11.4 Konzentration von Vitamin E im Lebergewebe ... 87
4 Diskussion ... 89
4.1 Kritik der Methoden ... 89
4.1.1 Auswahl des Modells ... 89
4.1.2 Eingesetzte Versuchstiere ... 90
4.1.3 Kotkollektion ... 91
4.1.4 Rohfettanalyse ... 92
4.1.5 Sektionszeitpunkt ... 93
4.2 Erörterung der Ergebnisse ... 94
4.2.1 Auswirkungen der PEI auf die Entwicklung der Jungtiere ... 94
4.2.1.1 Verdaulichkeit der Nährstoffe ... 94
4.2.1.2 Auswirkungen der PEI im Dickdarm ... 96
4.2.1.3 Energie- und Nährstoffversorgung ... 100
4.2.1.4 KM-Entwicklung ... 102
4.2.1.5 Das Wachstum limitierende Faktoren? ... 104
4.2.1.6 Chymusmassen ... 105
4.2.1.7 Organmassen und -längen des GIT ... 106
4.2.2 Versorgung von PEI-Patienten mit fettlöslichen Vitaminen bzw. ... 110
Effekte einer Vitaminsupplementierung ... 110
4.2.2.1 Versorgung gesunder Tiere ausschließlich über den originären Vitamingehalt im Futter (Kontrollgruppe) ... 112
4.2.2.2 Versorgung der PL+E-Tiere bei alleiniger Versorgung über den originären Vitamin-Gehalt im Futter (Gruppe PL+E) ... 112
4.3 Schlussfolgerungen ... 119
5 Zusammenfassung ... 123
6 Summary ... 127
7 Literaturverzeichnis ... 131
8 Tabellenanhang ... 151
Abkürzungsverzeichnis
® Eingetragenes Warenzeichen ad lib. ad libitum
Ala Alanin
ATP Adenosintriphosphat
B Basisfutter
BT Basisfutter + Tryptophanergänzung
BTL Basisfutter + Tryptophan- und Leucinergänzung BHZP Bundeshybridzuchtprogramm
BMI Body mass index
ca. Circa
Cae Caecum
CAMP cyclisches Adenosinmonophosphat
CFTR Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator
Col Colon
D1 1. Dünndarmdrittel
D2 2. Dünndarmdrittel
D3 3. Dünndarmdrittel
DG Durchgang
DNA Desoxyribonukleinsäure
DüDa Dünndarm
et al. et alii
Fa Firma
FFS Flüchtige Fettsäuren
FS Ferkelprestarter „Superfrüh“
FTU Phytase unit
GfE Gesellschaft für Ernährung GIT Gastrointestinaltrakt
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung HPLC High-performance liquid chromatography IE Internationale Einheit
KM Körpermasse
K-Tier Kontrolltier
L-LDH L-Lactatdehydrogenase
LW Lebenswoche
ME Metabolisierbare Energie mRNA Messenger Ribonukleinsäure
n Anzahl
nn nicht nachweisbar
NAD Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid NBD Nukleotidbindungsdomäne NfE Stickstoff freie Extraktstoffe
o.g. Oben genannt
OP Operation
oR Organischer Rest
oS Organische Substanz
PEI Pankreatische exokrine Insuffizienz pH potentia Hydrogenii
Phe Phenylalanin
PKA Proteinkinase
PL Pankreasgangligiert
PL-0 PL-Tier ohne Enzymsubstitution PL+E PL-Tier mit Enzymsubstitution
PL+E+Vit.par PL-Tier mit Enzymsubstitution und parenteraler Vitaminsupplementierung PL+E+Vit.oral PL-Tier mit Enzymsubstitution und oraler Vitaminsupplementierung p-NRA p-Nitroanilin
Pro Prolin
R Regulationsdomäne
Ra Rohasche
RBP Retinol-Bindungsprotein
Rfa Rohfaser
Rfe Rohfett
Rp Rohprotein
S. Seite
SIBO Small intestinal bacterial owergroth
s.o. Siehe oben
spp. Spezies
spez. Spezielle
STRA-8 Stimulated by retinoic acid gene 8
Succ Succinat
sVQ Scheinbare Verdaulichkeit
Syn Synonym
tägl. Täglich
Try Tryptophan
TS Trockensubstanz
uS Ursprüngliche Substanz
UV Ultraviolett
V. Vena
v Verdaulich
v.a. vor allem
v. Chr. vor Christus
VDLUFA Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten
Vit. Vitamin
vs. versus
VW Versuchswoche
WHO World health organisation
z.B. zum Beispiel
1 Einleitung
Die pankreatische exokrine Insuffizienz (PEI) ist eine Erkrankung, die typischerweise beim erwachsenen Menschen als Folge von jahrelangem Alkoholabusus auftritt (SINGER und MÜLLER 1995; RADUN et al. 1997). Zahlreiche Dissertationen (TABELING 1998;
FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003;
KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; BECKER 2005; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008;
KALLA 2009; LOOCK 2010; KRAMER 2010; KOCH 2011) haben bereits im Rahmen des Projektes „Untersuchungen am pankreasgangligierten Miniaturschwein“ die Auswirkungen der PEI auf die Verdaulichkeit verschiedener Nährstoffe sowie die Optimierung der Therapie beim adulten Miniaturschwein überprüft. Dagegen liegen nur wenige Untersuchungen zur Auswirkung der PEI auf wachsende Individuen vor (z.B. FEDVIK et al. 2009; RENGMAN et al. 2009), obwohl auch Kinder, die unter der autosomal rezessiv vererbten Mukoviszidose leiden, häufig von der PEI betroffen sind. Etwa 87% der Mukoviszidosepatienten sind pankreasinsuffizient (KRISTIDIS et al. 1992).
Die Mukoviszidose (Syn. Cystische Fibrose) ist eine der weltweit am häufigsten auftretenden autosomal-rezessiv vererbten Erkrankungen. Die Inzidenz beträgt bei Europäern ca. 0,03%, während Afrikaner und Asiaten deutlich seltener erkranken (BÖHM 1983; ZABRANSKY und ZINK 2001). Da beim wachsenden Organismus nicht nur der Nährstoffbedarf für Grundumsatz, endogene Verluste und körperliche Aktivität gedeckt werden muss, sondern auch ein ganz spezifischer Bedarf für das Wachstum besteht und die Kapazität zur Kompensation einer nicht adäquaten Nährstoffzufuhr begrenzt ist, dürfen adulte und wachsende Individuen hinsichtlich der bedarfsgerechten Versorgung mit Energie und Nährstoffen nicht gleichgesetzt werden (KOLETZKO et al. 2004a). Im Unterschied zu früheren Arbeiten wurden im Rahmen dieser Untersuchung daher junge Hausschweine eingesetzt, um Daten zur Körperentwicklung, Verdaulichkeit verschiedener Nährstoffe und Informationen über ggf. auftretende Mangelerscheinungen beim wachsenden Organismus zu erhalten, die sich auf Mukoviszidose kranke Kinder übertragen lassen. Obwohl keine Tierart der Physiologie des menschlichen Verdauungstrakts vollständig entspricht (NEDJDFORS und WESTSTRÖM 1997), kann das pankreasgangligierte Schwein als Modell für den pankreasinsuffizienten Menschen dienen, da das porcine Verdauungssystem im Bezug auf
anatomische und physiologische Gegebenheiten mit dem des Menschen eine gute Übereinstimmung aufweist und daher besonders gut zur Untersuchung ernährungsphysiologischer Fragestellungen geeignet ist (ABELLO 1989, MOUGHAN et al.
1994). Auch die mit dem Kleinkind vergleichbaren Enzymaktivitäten der Absetzferkel machen das wachsende Schwein zu einem geeigneten Modell für ernährungsphysiologische Fragestellungen beim Kind, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Enzymaktivitäten eines drei Monate alten Kindes etwa denen eines drei Wochen alten Ferkels entsprechen (SHULMAN et al. 1988; MOUGHAN et al. 1994). Das im Vergleich zum Menschen deutlich schnellere Wachstum führt zusätzlich zu einem „Zeitraffereffekt“, sodass Mangelerscheinungen schneller und deutlicher als beim Menschen erkennbar werden. Zu bedenken ist jedoch beim verwendeten Modell „pankreasgangligiertes junges Hausschwein“, dass nur ein Aspekt des Krankheitsbilds Mukoviszidose, nämlich die PEI untersucht werden kann, während die typischerweise auftretenden Veränderungen des Epithels (sowohl des Atmungs- als auch des Verdauungstrakts) nicht imitiert werden können.
Vor diesem Hintergrund sollen insbesondere folgende Fragestellungen geklärt werden:
Welche Auswirkungen hat die PEI beim wachsenden Schwein auf:
die Verdaulichkeit verschiedener Nährstoffe
das Wachstum
die Körperzusammensetzung
morphologische Parameter des Gastrointestinaltraktes
verschiedene Chymusparameter
Welche Auswirkungen hat die PEI auf die Versorgung mit fettlöslichen Vitaminen (bei bedarfsdeckenden bzw. bedarfsüberschreitenden Konzentrationen im Futter)? In welchem zeitlichen Rahmen treten ggf. zu erwartende Mangelsituationen auf? Welche Effekte hat eine orale oder parenterale Supplementierung mit fettlöslichen Vitaminen (A und E)?
Kann mit einer Enzymsubstitution eine Normalisierung der o.g. Parameter erreicht werden?
2 Schrifttum
2.1 Mukoviszidose
2.1.1 Genetik
Die Mukoviszidose (Syn. Cystische Fibrose), abgeleitet vom lateinischen mukus = Schleim und viscidus = zäh, ist eine autosomal rezessiv vererbbare Krankheit (KEREM et al. 1989), wobei überwiegend Europäer und europäisch-stämmige Amerikaner betroffen sind, andere Bevölkerungsgruppen erkranken deutlich seltener (BÖHM 1983; ZABRANSKY und ZINK 2001). Verursacht wird die Mukoviszidose durch eine Mutation auf dem humanen Chromosom 7. Die mit Abstand am häufigsten auftretende Form wird als ΔF508 bezeichnet, da hierbei eine Deletion der Aminosäure Phenylalanin an Position 508 vorliegt (KEREM et al. 1989). Schon bei Entdeckung der ersten Mutation vermuteten die Autoren, dass es mindestens 7 weitere Mutationsformen geben müsse, bisher wurden 1910 verschiedene Mutationen festgestellt, die in der „Cystic Fibrosis Mutation Database“ dokumentiert werden.
Auch in jüngster Zeit werden regelmäßig neue Mutationen entdeckt, wobei seltene Mutationen häufig nur innerhalb einer in sich abgeschlossenen Bevölkerungsgruppe wie z.B.
den Ashkenazi Juden auftreten (SHOSHANI et al. 1992). Die Vielfältigkeit der Genotypen bei Mukoviszidose, die zum einen durch die Anzahl an verschiedenen Mutationen und zum anderen durch die zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten der beiden Allele entsteht, spiegelt sich auch in einer sehr heterogenen phänotypischen Ausprägung wider und stellt für die molekulargenetische Diagnostik eine Herausforderung dar. Grundsätzlich führen so genannte
„nonsense Mutationen“, „Splice-junction-Mutationen“ und Deletionen meist zu schweren Krankheitssymptomen, während bei so genannten „missense“ Mutationen sowohl eine schwere als auch eine leichte klinische Symptomatik möglich ist (KEREM et al. 1990;
KRISTIDIS et al. 1992), wobei im Einzelfall keine genaue Prognose des Phänotyps aufgrund des vorliegenden Genotyps gegeben werden kann (STUHRMANN und DÖRK 2001).
2.1.2 Zellbiologie des CFTR-Kanals
Nach Entdeckung der genetischen Ursache der Mukoviszidose wurde insbesondere daran geforscht, wie sich die Mutation auf zellulärer Ebene auswirkt und wie dadurch die bereits bekannte klinische Symptomatik zu erklären ist. Schon 1953 stellten DI STAINT’AGNESE et
al. fest, dass die Natrium- und Chloridkonzentrationen im Schweiß der an Mukoviszidose erkrankten Kindern im Vergleich zu gesunden Individuen um das 2-4fache erhöht sind. Im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die anderen betroffenen Organe wie Lunge, Pankreas und Speicheldrüsen ebenfalls epitheliale Organe darstellen und die von ihnen produzierten Sekrete „abnorm eingedickt“ sind, konzentrierte sich die Forschung schon frühzeitig auf den Elektrolyt- und Wassertransport im Epithelgewebe (RANDAK und TÜMMLER 2001a).
Verantwortlich für die Mukoviszidose ist der Defekt eines Cl- Kanals an der apikalen Zellmembran der Epithelzellen, der als CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) bezeichnet wird (WIDDICOMBE et al. 1985; BEAR et al. 1992). Der CFTR findet sich im Epithelgewebe des Darmtraktes, der Lunge, der Pankreasgänge, der Speichel- und Schweißdrüsen, der Niere und der Geschlechtsorgane (RANDAK und TÜMMLER 2001b) und besteht aus 5 verschiedenen Domänen: 2 transmembranen Domänen, 2 Nukleotidbindungsdomänen (NBD 1 und NBD 2) sowie einer Regulations-Domäne (R), welche die beiden Teile des CFTR verbindet (RIORDIAN et al. 1989).
Durch den CFTR strömt Chlorid passiv entlang des elektrochemischen Gradienten, zuvor muss der Cl- Kanal jedoch aktiv geöffnet werden (ANDERSON et al. 1991). Dazu wird zunächst die R-Domäne durch eine cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) phosphoryliert (ANDERSON et al. 1991), anschließend bindet ATP an NBD 1 und NBD 2, und nach Hydrolyse an NBD1 öffnet sich schließlich der CFTR wobei Mg2+ als Cofaktor anwesend sein muss (ANDERSON et al. 1991; CARSON 1995). Die verschiedenen Mutationen am CFTR-Gen führen zu unterschiedlichen Störungen auf zellulärer Ebene, die jedoch alle die gleiche Folge haben: Einen nicht oder nur eingeschränkt funktionstüchtigen CFTR. Nach WELSH und SMITH (1993) unterscheidet man dabei 4 unterschiedliche Klassen:
Klasse 1: Defekte in der Proteinbildung
Diese Mutationen (frameshifts, nonsense mutations) haben bereits einen Defekt während der Proteinbildung zur Folge (Bildung eines zu „kurzen“ Proteins). Es kommt zu einer instabilen mRNA, und das Protein selbst ist in der Zelle nicht nachweisbar (HANOSH et al. 1991).
Klasse 2: Defekte im Proteintransport
Die meisten Mutationen, darunter auch die weltweit häufigste (ΔF508), haben einen gestörten Proteintransport zur Folge, sodass sich an der apikalen Epithelmembran entweder gar kein oder nur eine sehr geringe Anzahl an CFTR befindet.
Klasse 3: Defekte in der Proteinregulation
Mutationen, die zu einer Veränderung der NBD führen, haben zur Folge, dass die Fähigkeit den Cl--Kanal durch ATP zu öffnen, verringert ist. Die Funktionsfähigkeit ist jedoch noch teilweise vorhanden. Mutationen im Bereich der R-Domäne gehören auch in diese Klasse, sind jedoch äußerst selten.
Klasse 4: Defekte im Leitvermögen
Mutationen, die zu einer Veränderung der transmembranen Domänen führen, haben eine verringerte Öffnungszeit des Cl--Kanals zur Folge, wodurch die Cl--Flussrate reduziert ist.
Die Folge eines fehlenden bzw. funktional eingeschränkten CFTR ist ein wasserarmes und damit hochvisköses Sekret aller exokrinen Drüsen (ZABRANSKY und ZINK 2001).
2.1.3 Diagnostik
2.1.3.1 „Carrier“-Diagnostik
Eine genetische Reihenuntersuchung auf „Carrier“, also Personen, die Träger einer bestimmten Erbkrankheit mit rezessivem Erbgang sind, selbst jedoch nicht erkranken, ist nach
§16 Gendiagnostikgesetz in Deutschland verboten. In anderen Ländern wird hingegen schon ein „Carrier“-Screening durchgeführt. CASTELLANI et al. (2010) haben in einem umfangreichen Review die in der Literatur genannten Vorteile und Nachteile eines solchen Screenings herausgearbeitet.
Ist bereits ein Fall von Mukoviszidose in der engeren Verwandtschaft bekannt, können sich Eltern in Deutschland vor Entscheidung für/gegen eine Schwangerschaft auf ihren genetischen Status testen lassen.
2.1.3.2 Neugeborenenscreening
Unter dem Neugeborenenscreening versteht man die flächendeckende Untersuchung Neugeborener mit dem Ziel behandelbare metabolische und endokrinologische Erkrankungen vollständig und frühzeitig zu erkennen und eine zielführende wirksame Therapie sicher zu stellen (HARMS et al. 2002). Damit eine Erkrankung im Rahmen des Neugeborenenscreenings untersucht wird, muss sie die Anforderungen an das
Neugeborenenscreening der WHO erfüllen, die 1968 von WILSON und JUNGER aufgestellt wurden:
1. Es muss sich um eine schwerwiegende Krankheit handeln.
2. Es muss eine anerkannte Heilbehandlung geben.
3. Es muss ausreichende Möglichkeiten zur Diagnosestellung und Therapie geben.
4. Es muss eine erkennbare Latenzzeit geben.
5. Es muss ein geeigneter Test zur Diagnose vorhanden sein.
6. Der Test muss für die Bevölkerung akzeptabel sein.
7. Der Verlauf der Krankheit einschließlich des Übergangs von der Latenz zur Symptomatik muss bekannt sein.
8. Es muss klargestellt sein, wer als „Patient“ zu behandeln ist.
9. Es muss ein vertretbares Gleichgewicht zwischen Kosten und Nutzen bestehen.
Da Punkt 2 bei der Mukoviszidose nicht erfüllt ist, bleibt ein Screeningprogramm umstritten und wird in einigen Ländern der Welt, z.B. in den USA, Australien, Neuseeland, Großbritannien, Frankreich, Österreich und Russland durchgeführt, in anderen Ländern wie z.B. Deutschland dagegen nicht (STOPSACK und HAMMERMANN 2009), obwohl eine Diagnosestellung vor dem zweiten Lebensmonat zu einer signifikant größeren Körperlänge, einem höheren „Shwachman-Kulczyki morbidity score“ sowie signifikant weniger Langzeittherapien führte als bei Patienten, deren Diagnose erst nach dem zweiten Lebensmonat gestellt wurde (SIMS et al. 2007). Auch die Überlebensrate ist bei frühzeitiger Diagnosestellung größer (WELLER und WEST 1991).
2.1.3.3 Diagnosestellung infolge der klinischen Symptomatik
Bei etwa 7-10% der Mukoviszidosepatienten kann die Krankheit schon im Neugeborenenalter aufgrund eines vorliegenden Mekoniumileus diagnostiziert werden, während bei ca. 10% der Patienten bis zum Eintritt in das Erwachsenenalter noch keine Diagnose gestellt wird (JANY 1995). Der Median des Diagnosealters lag in Deutschland in den Jahren 2000-2005 bei 1-1,4 Jahren (STERN et al. 2005). Die verschiedenen Symptome einer Mukoviszidose sind im Kapitel 2.1.4 beschrieben.
2.1.4 Klinisches Erscheinungsbild/Auswirkungen der Mukoviszidose
Die Mukoviszidose äußert sich in sehr unterschiedlichen Krankheitsbildern, da die verschiedenen epithelialen Organe je nach vorliegender Mutation unterschiedlich stark betroffen sind. Da im Rahmen der durchgeführten experimentellen Studien jedoch nur die PEI näher untersucht wurde, sollen die anderen Symptome hier nur kurz angesprochen werden.
2.1.4.1 Pankreassymptomatik
Über 90% der pankreatischen exokrinen Insuffizienzen beim Kind sind die Folge einer Mukoviszidose (DURIE 1997) und ca. 87% der Mukoviszidosepatienten sind pankreasinsuffizient (PARK und GRAND 1981; KRISTIDIS et al. 1992; STUHRMANN und DÖRK 2001).
Schon im Säuglingsalter lassen sich im Pankreas histologisch Unterschiede zwischen gesunden und Mukoviszidose kranken Kindern feststellen. So nimmt das Verhältnis von Azinusgewebe zu Bindegewebe bei gesunden Kindern linear bis zum 4. Lebensmonat um den Faktor 4 zu, während sich bei den Mukoviszidosepatienten ein negatives Verhältnis von Azinusgewebe zu Bindegewebe entwickelt (IMRIE et al. 1979). Darüber hinaus ist auch der Anteil der Pankreasgänge am Gesamtpankreasgewebe bei Mukoviszidosepatienten signifikant höher (STURGESS 1984). Ursache dieser Veränderungen ist eine Ansammlung von Pankreassekret im Gangsystem, was zu einer Dilatation der Gänge und der Azinuslumina führt, was wiederum eine Atrophie der Azinuszellen zur Folge hat (STURGESS 1984). Mit zunehmendem Lebensalter steigt der Anteil der pankreasinsuffizienten Patienten. So konnten WATERS et al. (1990) bei unter 4-jährigen Kindern mit Mukoviszidose zu Beginn ihrer Studie (n=78) lediglich bei 29 Kindern (37%) eine Pankreassuffizienz feststellen, wobei 6 (21% der vormals pankreassuffizienten Kinder) innerhalb eines Jahres eine PEI entwickelten.
Die Folgen der verminderten Verdaulichkeit der Nährstoffe und der dadurch verminderten Energieaufnahme zeigen sich in der Entwicklung der Kinder. So ist die Größe, die Körpermasse und der Body-mass-index bei Kindern mit Mukoviszidose signifikant niedriger als bei gesunden Kindern (KELLY et al. 2008). WIEDEMANN et al. (2008) stellten dagegen bei Mukoviszidose kranken Kindern nur einen geringeren Body-mass-index fest, während sich die Kinder in der Körperlänge kaum von gesunden Kindern gleichen Alters unterschieden.
Darmsymptomatik
Histologisch ist das Krankheitsgeschehen bei Mukoviszidose im Darm durch eine erhöhte Anzahl an mukushaltigen Becherzellen sowie erweiterte Krypten gekennzeichnet (PARK und GRAND 1981).
Die Passagezeit des Mekoniums ist bei Neugeborenen mit Mukoviszidose post natum grundsätzlich verzögert, da das Mekonium bei diesen Kindern weniger Wasser enthält, wodurch seine Viskosität erhöht ist. Als Folge kommt es bei ca. 10-15% dieser Neugeborenen zur frühesten und schwerwiegendsten den Darm betreffenden Symptomatik bei Mukoviszidose, dem Mekoniumileus. Das proximale Ileum ist dabei dilatiert und mit klebrigen Mekoniumanteilen verlegt, das distale Ileum und das Colon sind dagegen klein und scheinen bisher funktional nicht aktiv gewesen zu sein (PARK und GRAND 1981;
EGGERMONT und DE BOECK 1991).
Auch nach dem Säuglingsalter kann es weiterhin zu klinisch relevanten Symptomen am Darm kommen, wie z.B. zum „distalen intestinalen Obstruktionssyndrom“, bei dem in Folge des zähen Chymus sowie Störungen der Darmmotilität eine Dilatation des Darms entsteht, die zu einer Chymusstase führt; nachfolgend resultiert aus der Dehydratation des Chymus schlussendlich eine Obstruktion des Darmes (PARK und GRAND 1981).
Auch ein Rektumprolaps, meist zwischen dem ersten und zweiten Lebensjahr, kommt bei Patienten mit Mukoviszidose häufig vor (PARK und GRAND 1981).
2.1.4.2 Atemwegssymptomatik
Die bei Mukoviszidose eingeschränkte Hydratation der Sekrete führt zu einem hochviskösem Lungensekret, von dem der Bronchialtrakt nicht ausreichend befreit werden kann. Zusätzlich zu der daraus resultierenden Obstruktion der Bronchien ist die Begünstigung der Ansiedelung einer pathogenen Mikroflora aufgrund der Verfestigung des Sekrets problematisch. Liegt erst einmal eine chronische bakterielle Besiedelung (v.a. mit Pseudomonas aeruginosa und Staphylokokkus aureus) vor, so ist eine vollständige Heilung der Infektion kaum mehr möglich (KRAEMER 2001).
2.1.4.3 Auswirkungen der Mukoviszidose auf das Wachstum
Mukoviszidose kranke Kinder sind meist kleiner und leichter als die Vergleichspopulation (STAPLETON et al. 2001). Die Autoren weisen darauf hin, dass beim Vergleich der Körpermasse zur Körpergröße Fehleinschätzungen auftreten können, wenn in Folge der Mukoviszidose beide Parameter negativ beeinflusst werden und sich dementsprechend gegenseitig aufheben. Auffällig ist dabei, dass relativ ein größeres Defizit an Muskelmasse als an Fettmasse besteht. Die Autoren gehen davon aus, dass dies auf einen chronisch katabolen Zustand zurückzuführen ist.
FEDVIK et al. (2009) stellten fest, dass eine experimentell induzierte Pankreasinsuffizienz bei sieben Wochen alten Schweinen zu einer fast vollständigen Stagnation des Wachstums führte, während Schweine, bei denen im höheren Alter (16 Wochen) eine PEI induziert wurde, keine Störung des Wachstums aufwiesen. Sie schlossen daraus, dass die Funktion des exokrinen Pankreas während eines „kritischen Fensters“ zwischen der 7. bis maximal 16.
Lebenswoche für das Wachstum unverzichtbar ist, während diese bei etwas älteren Tieren für das Wachstum entbehrlich ist. Zu bedenken ist allerdings, dass das Wachstum durch verschiedene in Folge der PEI auftretende Mangelerscheinungen beeinflusst wird. So nehmen Kinder mit Mukoviszidose häufig weniger Energie auf (KOLETZKO und KOLETZKO 2001) und weisen geringere Serumkonzentrationen von einzelnen Nährstoffen wie Vitamin A, Vitamin E (CONGDEN et al. 1981; DUTTA et al. 1982) oder Zink (HALSTED und SMITH 1970; DODGE und YASSA 1978) auf, die für das Wachstum essentiell sind (HALSTED und SMITH 1970; ZILE et al. 1977; DODGE und YASSA 1978). Es ist daher zu hinterfragen, ob die Funktion des Pankreas ab der 16. Lebenswoche für das Wachstum tatsächlich nicht mehr notwendig ist, oder ob die älteren Versuchstiere nur in der Lage waren, ihren Bedarf an für das Wachstum essentiellen Nährstoffen in dem vergleichsweise kurzen Versuchszeitraum von der 16. bis zur 23. Lebenswoche noch aus köpereigenen Ressourcen zu decken. Denn im Unterschied zu den früh operierten Tieren war die Resorption der oben genannten Nährstoffe in den ersten 16 Lebenswochen bei den später operierten Tieren ungestört, wodurch eine Speicherung von Nährstoffen möglich war und die Tiere somit über Reserven verfügen.
2.1.5 Auswirkungen der Pankreasinsuffizienz
Um die Folgen der PEI genauer erfassen zu können wird das Schwein häufig als Modelltier für den Menschen eingesetzt, indem eine PEI durch chirurgische Ligatur des Pankreasganges induziert wird (ABELLO et al. 1989; TABELING 1998).
Die Folgen der PEI sind vielfältig und wurden in zahlreichen Studien und Übersichtsreferaten beschrieben (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002;
FUENTE-DEGE 2003; KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; BECKER 2005;
MÖSSELER et al. 2006; ZANTZ 2006; MÖSSELER et al. 2007; CLASSEN 2008; KALLA 2009; LOOCK 2010; KRAMER 2010; KOCH 2011).
2.1.5.1 Fettverdaulichkeit
Die Aktivität der Lipase ist bei Vorliegen einer PEI besonders stark beeinträchtigt. Die Ursachen dafür sind vielfältig, so geht die Lipasesekretion im Verlauf der Erkrankung schneller zurück als jene der Amylasen und Proteasen (DIMAGNO et al. 1993), zudem weist die Lipase von allen pankreatischen Enzymen die höchste Säurelabilität auf und wird so durch den bei der PEI teilweise vorliegenden niedrigeren pH-Wert im Duodenumchymus schneller inaktiviert als andere Pankreasenzyme (DIMAGNO 1977; LAYER et al. 1990); darüber hinaus wird die Lipase durch endogene Proteasen teils schon vor ihrem Wirkungseintritt zerstört (THIRUVENGADAM und DIMAGNO 1988, LAYER et al. 1990). Das Fehlen der pankreatischen Lipase führt zu einer deutlich reduzierten Fettverdaulichkeit, sowohl praecaecal als auch über den gesamten Gastrointestinaltrakt. Während gesunde Göttinger Miniaturschweine eine praecaecale Fettverdaulichkeit von 95,2% bis 98,3% aufweisen, liegt die Fettverdaulichkeit bei pankreasinsuffizienten Tieren zwischen 19,4% und 43%, wobei die auffällig große Variation auf die unterschiedlichen Qualitäten und Quantitäten der eingesetzten Fette zurückzuführen ist (TABELING 1998; KAMMLOTT 2003; MÖSSELER et al. 2006). Eine Kompensation der pankreatischen Lipasen durch linguale oder gastrische Lipasen ist in gewissem Maße möglich (ABRAMS et al. 1987; CARRIERE et al. 2005), doch kann im Unterschied zu anderen pankreatischen Enzymen keine Kompensation der reduzierten praecaecalen Verdaulichkeit durch mikrobiellen Abbau im Caecum oder Colon erreicht werden (MÖSSELER et al. 2007). Die verminderte Fettverdaulichkeit führt zum auffälligsten klinischen Symptom der PEI, der Steatorrhoe (GREGORY et al. 2002).
2.1.5.2 Rohproteinverdaulichkeit
Die praecaecale Verdaulichkeit von Rohprotein ist in Folge der PEI ebenfalls vermindert.
Während gesunde Kontrolltiere etwa 80% des Rohproteins scheinbar verdauen können, beträgt die scheinbare Rohproteinverdaulichkeit bei pankreasinsuffizienten Tieren nur 26%
bis 41% (MÖSSELER et al. 2006), wobei nach LOOCK (2010) mit Vorliegen einer PEI auch von höheren endogenen Verlusten auszugehen ist. Offensichtlich reichen die extrapankreatischen Proteasen und Peptidasen nicht aus, um das Fehlen pankreatischer Enzyme zu kompensieren. Als Folge kommt es zu einem vermehrten Einstrom von Rohprotein in den Dickdarm und dort zu einem forcierten mikrobiellen Abbau des Proteins.
Da die anschließende Stickstoffabsorption überwiegend in Form von Ammoniak erfolgt, kommt es zu einer zusätzlichen Belastung des Leberstoffwechsels aufgrund der notwendigen Entgiftung von Ammoniak, d.h. Harnstoffbildung (TABELING 1998).
2.1.5.3 Stärkeverdaulichkeit
Die praecaecale Verdaulichkeit von Stärke bei pankreasinsuffizienten Tieren ist im Vergleich zu gesunden Kontrolltieren ebenfalls reduziert (im Mittel 75,9% vs. 97,9%), die Differenz zwischen gesunden und pankreasgangligierten Tieren ist jedoch nicht so groß wie bei der Rohfett- und Rohproteinverdaulichkeit. Nach TABELING (1998) können pankreasgangligierte Miniaturschweine mit einer Körpermasse von etwa 40kg nämlich täglich bis zu 170g Stärke auch bei Fehlen einer Pankreasamylase praecaecal verdauen. Dies lässt sich zum einen auf die Tatsache zurückführen, dass durch extrapankreatische Amylasen das Fehlen der Pankreasamylase teilweise kompensiert wird (LAYER et al. 1986) und zum anderen vermutlich auch praecaecal ein mikrobieller Abbau von Stärke stattfindet. Dies lassen jedenfalls die im Ileumchymus pankreasgangligierter Tiere erhöhten Laktatkonzentrationen bei stärkereichen Rationen vermuten (MANDISCHER 2002). Da trotz all dieser kompensatorischen Mechanismen die Werte der Kontrolltiere bezüglich der praecaecalen Verdaulichkeit nicht erreicht werden, kommt es zum vermehrten Einstrom von praecaecal unverdauten Kohlenhydraten in den Dickdarm. Diese werden im Dickdarm mikrobiell abgebaut, so dass die Gesamtverdaulichkeit der Stärke bei PL-Tieren der von gesunden Tieren entspricht. Allerdings entstehen durch den mikrobiellen Stärkeabbau vermehrt intestinale Gase wie Methan und Wasserstoff was zu einem chronischen Meteorismus und
beim Menschen zu klinischen Beschwerden (von leichtem Völlegefühl bis hin zu erheblichen Koliken) führen kann (BEHRENS 2001).
2.1.5.4 Resorption von fettlöslichen Vitaminen (A und E)
Die PEI beeinflusst die Verdaulichkeit der fettlöslichen Vitamine an mehreren Stellen des Resorptionsmechanismus. Zum Einen fehlen die pankreatischen Enzyme, die Retinylester zu Retinol und α-Tocopherolacetat zu α-Tocopherol spalten. Diese Spaltung ist jedoch notwendig, da Vitamin A nur in Form von Retinol bzw. Vitamin E nur in Form von α- Tocopherol in die Enterozyten aufgenommen werden kann (MULLER et al. 1976; VAN BENNEKUM et al. 2000). Zum Anderen kommt es in Folge der PEI zu einer verminderten Mizellenbildung, da die Verdaulichkeit von Rohfett durch die PEI reduziert ist (s.o.) und für die Mizellenbildung Gallensalze, Monoglyceride und freie Fettsäuren notwendig sind (COHN et al. 1992). Die fettlöslichen Vitamine können jedoch nur in die Enterozyten gelangen wenn sie in Micellen gelöst sind (COHN et al. 1992; LI und TSO 2003). In den Enterozyten werden die fettlöslichen Vitamine in Chylomikronen eingelagert und gelangen in diesen über die Lymphe in den Blutkreislauf. Auch die Bildung von Chylomikronen hängt eng von der Rohfettverdaulichkeit ab. LI und TSO (2003) sehen in der Bildung und Sekretion von Chylomikronen die „Schlüsselstellen“ der Vitamin A-Resorption. Vorkommen, Stoffwechsel und Funktion der fettlöslichen Vitamine A und E sind in Kapitel 2.2 genauer beschrieben.
Aufgrund der genannten Faktoren kommt es bei Patienten mit PEI zu einer verminderten Resorption von fettlöslichen Vitaminen und - als Folge davon - zu verminderten Serumkonzentrationen sowie der klinischen Symptomatik verschiedener Vitamin- mangelzustände (CONGDEN et al. 1981; DUTTA et al. 1982; KARTHOFF 2004). DUTTA et al. (1982) stellten bei 15 untersuchten Patienten mit PEI zu 46,6% verringerte Vitamin A- Konzentrationen im Serum fest, wobei 71,4% dieser Gruppe auch klinische Symptome eines Vitamin-A-Mangels zeigten. 66,6% der untersuchten Personen wiesen verringerte Vitamin E- Serumkonzentrationen auf, wobei 40% dieser Gruppe Symptome eines Vitamin E-Mangels zeigten.
2.1.5.5 Intestinale Mikroflora
Eine weitere häufig auftretende Symptomatik bei Patienten mit PEI ist der so genannte “small intestinal bacterial overgrowth” (SIBO), der entweder durch eine erhöhte Anzahl an Mikroorganismen im Dünndarm oder durch das Auftreten von Mikroorganismen gekennzeichnet ist, die beim gesunden Individuum nicht vorkommen (BURES et al. 2010).
Beim gesunden Menschen finden sich im Duodenum und proximalen Ileum Laktobazillen und Enterokokken sowie gram-positive Aerobier und fakultative Anaerobier in einer Konzentration von <104 KbE/ml Chymus. Selten treten coliforme Keime auf und anaerobe Bacteroides werden nicht festgestellt (BURES et al. 2010). Konzentration von >105 koloniebildenden Einheiten/ml gelten als Nachweis eines SIBO (KHOSHINI et al. 2008). Als Ursache kommen dabei verschiedene Faktoren in Frage, zum Einen fehlt der „antibakterielle Effekt“ des Pankreassekrets, zum anderen kommt es durch den abnormalen Chymus und durch Motiliätsstörungen zu veränderten Bedingungen im Dünndarm (BURES et al. 2010).
An veränderten Chymusparametern sind beispielsweise eine erhöhte Viskosität sowie ein niedrigerer pH-Wert im Ileum zu nennen (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003; KAMMLOTT 2003). Bei Patienten mit chronischer Pankreatitis diagnostizierten VANDEROOF und YOUNG (2010) bei 34% der Patienten einen SIBO, bei Kindern mit Mukoviszidose sind es sogar 56% (FRIDGE et al.
2007). Typische Symptome im Zusammenhang mit SIBO sind Völlegefühl, Diarrhoe, Maldigestion, Malabsorption, Malnutrition und Gewichtsverlust (BURES et al. 2010).
2.1.5.6 Chymus- und Stuhl- bzw. Kotmengen
Ein auffälliges Symptom der PEI ist das Auftreten von Massenstühlen. Bei Mukoviszidose kranken Kindern fallen oft schon im Kleinkindalter große Stuhlmengen mit fauligem und penetrantem Geruch auf (DOCKTER 2004), die als Folge der verminderten Verdaulichkeit der Rohnährstoffe auftreten. MÖSSELER et al. (2006) stellten fest, dass bei pankreasinsuffizienten Göttinger Miniaturschweinen innerhalb von 12 Stunden je nach Studie (unterschiedliche Versuchsfutter) 127-149g TS im Ileum anfluten, während es bei gesunden Kontrolltieren 43,2-65,4g TS waren. Auch die abgesetzten Kotmengen sind im Vergleich zu gesunden Kontrolltieren signifikant (Faktor 1,82 bis 4,13) erhöht (MÖSSELER et al. 2006).
2.1.5.7 Verschiedene Chymusparameter
Die Viskosität des Chymus ist bei pankreasgangligierten Tieren erhöht, was vermutlich Einfluss auf Passagerate, Fließgeschwindigkeit und die Intensität der Durchmischung hat (MÖSSELER et al. 2006), der pH-Wert des Chymus im distalen Ileum von pankreasgangligierten Tieren ist durch das Fehlen von pankreatischem Bikarbonat postprandial signifikant erniedrigt (DIMAGNO et al. 1977; TABELING 1998; HELDT 2001;
MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003; KAMMLOTT 2003; LOOCK 2010).
2.1.6 Ernährung von Mukoviszidose Patienten und Versorgung
2.1.6.1 Energie
Sofern die Körpermasse von Mukoviszidosepatienten geringer ist als „normal“, sollte die Energiezufuhr über die Nahrung erhöht werden. MÜLLER und BARGON (2008) empfehlen eine Energiezufuhr von etwa 120-150% der Werte der Deutschen Gesellschaft für Ernährung, wobei die Energiezufuhr zu ca. 40% aus Fett, 40% aus Kohlenhydraten und 20% aus Protein erfolgen sollte (BOROWITZ et al. 2002; MÜLLER und BARGON 2008). Problematisch ist dabei jedoch, dass infolge des distalen intestinalen Obstruktionssyndroms Abdominalschmerzen und Inappetenz auftreten und auch psychosoziale Stressfaktoren zu einer verminderten Nahrungsaufnahme führen (BRÖMME 2006), so dass Kinder mit Mukoviszidose teilweise sogar nur 60-90% des Energiebedarfs gesunder Kinder gleichen Alters aufnehmen (KOLETZKO und KOLETZKO 2001).
2.1.6.2 Vitamine
Ein Mangel an fettlöslichen Vitaminen tritt im Zusammenhang mit PEI häufig auf (CONGDEN et al. 1981; DUTTA et al. 1982; RASHID et al. 1999; KARTHOFF 2004).
Daher werden die in Tabelle 1 dargestellten individuellen täglichen Supplementierungen mit fettlöslichen Vitaminen empfohlen.
Tabelle 1: Empfehlungen für Kinder mit Mukoviszidose zur täglichen Aufnahme von fettlöslichen Vitaminen nach BOROWITZ et al. (2002)
Alter Vitamin A (IE) Vitamin E (IE) Vitamin D (IE) Vitamin K (mg)
0-12 Monate 1500 40 – 50 400 0,3 – 0,5
1-3 Jahre 5000 80 – 150 400 – 800 0,3 – 0,5
4-8 Jahre 5.000-10.000 100 – 200 400 – 800 0,3 – 0,5
> 8 Jahre 10.000 200 - 400 400 - 800 0,3 – 0,5
Obwohl die Resorption von wasserlöslichen Vitaminen infolge der PEI reduziert ist (GUEANT et al. 1990), kommt ein Mangel an wasserlöslichen Vitaminen bei Patienten mit Mukoviszidose eher selten vor, auch wenn einzelne Fälle von Vitamin B12- und Vitamin C- Mangel festgestellt wurden (GUEANT et al. 1990; BACK et al. 2004; SOMMERBURG 2008a). Eine generelle Empfehlung zur Supplementierung von wasserlöslichen Vitaminen gibt es nicht und eine solche ist nach STERN (2008) auch nicht erforderlich.
2.1.6.3 Mengenelemente
Ein Defizit an Natriumchlorid kann bei Patienten mit Mukoviszidose auftreten, wenn diese durch hohe Temperaturen oder körperliche Aktivität vermehrt schwitzen (SOMMERBURG 2008b), da der Schweiß im Vergleich zu gesunden Menschen eine höhere Natriumchlorid- Konzentration aufweist (DI STAINT’AGNESE et al. 1953; GIBSON und COOKE 1959).
Daher sollte Natriumchlorid im Einzelfall supplementiert werden um ein Salzverlustsyndrom zu vermeiden (SOMMERBURG 2008b).
Ein Magnesiummangel kann bei Aminoglykosid-Therapie auftreten, so dass hier im Einzelfall ebenfalls eine Supplementierung erfolgen muss (AKBAR et al. 1999).
2.1.6.4 Spurenelemente
Die Kupferkonzentrationen im Serum entsprechen bei Patienten mit Mukoviszidose denen von Kontrollpersonen und sind teilweise sogar höher (SOLOMONS et al. 1981; VAN CAILLIE-BERTRAND et al. 1982).
Die Zinkserumkonzentrationen sind bei Kindern mit Mukoviszidose teilweise verringert, (HALSTED und SMITH 1970; VAN CAILLIE-BERTRAND et al. 1982; KELLEHER 1987).
Bei Vorliegen einer Fettmalabsorption kommt es dabei zur Bildung von schwerlöslichen Komplexen aus Fettsäuren und Zinksalzen (SOMMERGURG 2008b). In schweren Fällen treten im Zusammenhang mit dem Zinkmangel ein verzögertes Wachstum und eine langsamere Entwicklung auf (HALSTED und SMITH 1970; DODGE und YASSA 1978).
Verminderte Konzentrationen von Selen im Serum kommen bei Patienten mit Mukoviszidose häufig vor (VAN CAILLIE-BERTRAND et al. 1982; DODGE 1986) und sollten insbesondere im Zusammenhang mit dem bei Patienten mit Mukoviszidose ebenfalls häufigen Vitamin-E-Mangel Beachtung finden, denn bei gleichzeitigem Auftreten von Vitamin E- und Selenmangel kommt es zu einem verzögerten Wachstum, während ein alleiniger Selenmangel nicht zu einer signifikanten Reduktion des Wachstums führt (FISCHER 2002).
Auch ein Eisenmangel tritt bei Patienten mit Mukoviszidose häufig auf und geht teilweise mit Anämie einher, wobei die Anämie zwar multifaktoriell bedingt ist, der Eisenmangel jedoch den wichtigsten Faktor ausmacht (ATER et al. 1983; VON DRYGALSKI und BILLER 2008). Auffällig ist, dass die exogene Zufuhr von Pankreassekret/Pankreasenzymen die Eisenresorption reduziert (DAVIS und BIGGS 1965; ZEMPSKY et al. 1989, KAMMLOTT 2003). Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Resorption von Eisen durch einen niedrigen pH-Wert des Chymus begünstigt wird (WOLFFRAM und SCHARRER 2010) und der pH-Wert des Chymus bei pankreasgangligierten Tieren mit der Höhe der Enzymdosis zunimmt (KAMMLOTT 2003).
Eine generelle Empfehlung zur Supplementierung von Spurenelementen bei Kindern mit Mukoviszidose gibt es jedoch bisher nicht (SOMMERGURG 2008b).
2.1.7 Therapie der Mukoviszidose
Die Erkrankung Mukoviszidose gilt als nicht heilbar (KÖSTER und MALENKE 2002), die einzelnen Symptome werden daher palliativ behandelt. Nach ZABRRANSKY und ZINK (2001) besteht die Basistherapie aus:
Pankreasenzymen zur Behandlung der PEI
Acetylcystein zur Therapie der Lungensymptomatik (Verflüssigung des zähen Schleimes)
Vitaminpräparaten zur Vermeidung von Mangelerscheinungen
Antibiotika zur Behandlung von bakteriellen Infektionen, insbesondere der Lunge
Zur Therapie der PEI werden die fehlenden pankreatischen Enzyme durch ein porcines Multienzymprodukt ersetzt (KELLER und LAYER 2003), wobei angeraten wird bei Kindern nicht mehr als 10.000 Lipaseeinheiten/kg KM/Tag einzusetzen, da hohe Enzymdosierungen mit dem Auftreten einer fibrosierenden Colonopathie einherzugehen scheinen (FITZSIMMONS et al. 1997). TRAVICA (2009) empfiehlt als Initialdosis folgende Dosierung:
Säuglinge Schulkinder/junge Erwachsene PH.Eur.E. Lipase/g Nahrungsfett 300-1000 2 000-3 000
PH.Eur.E. Lipase/kg KM/Tag 10000 10 000
Der Bezug der Dosierung auf die mit der Nahrung aufgenommene Fettmenge wird dabei von der Autorin empfohlen. Nur wenn der Fettgehalt nicht bestimmt werden kann, ist die Dosierung bezogen auf die KM zu wählen. Zusätzlich hängt die Enzymdosis von dem Schweregrad der Erkrankung ab und muss unter ärztlicher Kontrolle angepasst werden bis es zu einer Verbesserung der klinischen Symptomatik kommt (TRAVICA 2009).
In jüngster Zeit werden vermehrt Enzymprodukte mikrobieller Herkunft entwickelt, was bei einer erhöhten spezifischen Enzymaktivität den Vorteil hat, dass vom Patienten eine geringere Gesamtproduktmenge eingenommen werden muss (KOCH 2011) und eine Unabhängigkeit von den hygienisch weit weniger kontrollierbaren tierischen Produkten ermöglicht wird.
Die Empfehlung zur Supplementierung von Vitaminen ist in Kapitel 2.1.6.2 erläutert.
Eine antibiotische Behandlung erfolgt bei 44% der unter 18jährigen an Mukoviszidose erkrankten Patienten dauerhaft und bei 19% intermittierend. Bei den erwachsenen Patienten ist der Anteil der dauerhaft antibiotisch behandelten mit über 50% der Erkrankten hingegen noch höher (HAUBER et al. 2001).
2.2 Fettlösliche Vitamine
2.2.1 Vitamin A
2.2.1.1 Vorkommen
Der Begriff Vitamin A umfasst alle Verbindungen mit Vitamin A-ähnlicher biologischer Wirksamkeit, wobei nur Retinol und seine Ester Retinylacetat, Retinylpalmitat und Retinylpropionat sämtliche Wirkungen des Vitamin A besitzen, da sie in Retinal und Retinsäure umgewandelt werden können (BÄSSLER 1988), wohingegen die Retinsäure keinen Einfluss auf den Sehzyklus und die Spermatogenese hat und somit nicht alle Vitamin A-Eigenschaften aufweist (BIESALSKI und GRIMM 2001).
Vitamin A kommt ausschließlich im menschlichen und tierischen Organismus vor, wo es aus den in Pflanzen vorkommenden Carotinoiden nach Aufnahme mit der Nahrung gebildet wird.
Lebensmittel tierischer Herkunft, insbesondere die Leber, aber auch andere Produkte wie Milch, Butter und Eier enthalten Vitamin A (SOUCI et al. 2004) und dienen dem Menschen somit als natürliche Vitamin A Quelle. Unter den zahlreichen Carotinoiden nimmt das Betacarotin eine besondere Stellung ein, zum einen weil es in der Natur weit verbreitet ist und zum anderen, weil es unter den Carotinoiden die höchste Provitamin A-Wirksamkeit hat (FRIEDRICH 1987).
2.2.1.2 Stoffwechsel der Carotinoide
Carotinoide werden beim Menschen im Dünndarm durch oxidative Spaltung an der zentralen 15,15’ Bindung gespalten (siehe Abbildung 1), wodurch zwei Moleküle Retinal entstehen, welches durch Oxidation in Retinol umgewandelt wird (LI und TSO 2003). Die Reaktion wird dabei von mikrosomalen und cytosolischen Enzymen katalysiert (NAPOLI 1999;
DUESTER 2000). Des Weiteren sind Menschen, im Gegensatz zu Ratten und Mäusen, in der Lage auch intakte Betacarotine zu resorbieren. Da auch in Leber und Niere die für die Spaltung notwendigen cytosolischen Enzyme nachgewiesen wurden, gehen LI und TSO (2003) davon aus, dass auch in Geweben außerhalb des Darms eine Biokonversion stattfindet.
Einige Tiere, wie z.B. die Katze, können zwar Carotinoide resorbieren, sind jedoch nicht in der Lage, aus Carotinoiden Retinol herzustellen und daher zwingend auf die Aufnahme
tierischer Nahrung angewiesen (SCHWEIGERT et al. 2002), sofern die Nahrung nicht mit synthetischen Vitamin A-Verbindungen versetzt wird.
Abbildung 1: Strukturformel von Betacarotin mit eingezeichneter Spaltstelle an der zentralen 15,15 Bindung
2.2.1.3 Stoffwechsel von Retinol und Retinylestern
Vitamin A liegt in Lebensmitteln tierischer Herkunft als Retinylester vor, welches zunächst im Darmlumen durch eine pankreatische Triglyceridlipase zu Retinol hydrolysiert werden muss (VAN BENNEKUM et al. 2000), da nur Retinol (nicht aber Retinylester) resorbiert werden kann. Für den weiteren Verlauf der Vitamin A Resorption spielt die Verdaulichkeit der Nahrungsfette eine wichtige Rolle, da Retinol nur in Mizellen gelöst in die Enterozyten aufgenommen werden kann. Dies ist bei Vorliegen einer verringerten Fettverdaulichkeit, wie sie bei einer PEI oder auch bei Einnahme des Lipasehemmers Tetrahydrolipstatin (Orlistat) zur Gewichtsreduktion auftritt, von Bedeutung, da so über die Fettverdaulichkeit auch die Resorption von Vitamin A beeinflusst wird. Nach Aufnahme in die Mizellen wird Retinol mit langkettigen Fettsäuren verestert, in die Enterozyten aufgenommen und dort in Chylomikronen eingelagert. Die Chylomikronen werden letztendlich in die Lymphe abgegeben, worüber Vitamin A in den Körperkreislauf gelangt (LI und TSO 2003). Dabei gehen LI und TSO (2003) davon aus, dass die Schlüsselstelle der Vitamin A Resorption die Bildung und Sekretion der Chylomikronen ist und diese eng an die Fettabsorption gekoppelt ist, was in Hinblick auf die PEI von besonderem Interesse ist.
Etwa 75% der an Chylomikronen gekoppelten Retinylester werden von der Leber aufgenommen, hydrolysiert und anschließend an das „Serum Retinol Bindungs-Protein“
(RBP) gebunden und in den Stellatumzellen gespeichert. Bei Bedarf kann die Verbindung aus RBP und Retinol wieder in das Kreislaufsystem freigegeben werden, so dass die Vitamin A- Konzentration im Blut konstant gehalten wird, bis die Speicher in der Leber mehr oder
weniger vollständig erschöpft sind (LI und TSO 2003). Dies sollte insbesondere in Hinblick auf die Diagnose von Vitamin A Mangelzuständen bei Patienten mit PEI Beachtung finden, denn „normale“ Vitamin A-Serumwerte haben aus diesem Grund diagnostisch nur geringe Aussagekraft. Erst bei entleerten Speichern sind erniedrigte Serumwerte zu erwarten.
2.2.1.4 Bedeutung im Körper
Vitamin A hat im Organismus vielfältige Funktionen in den Bereichen Wachstum Immunsystem, Reproduktion und Sehvorgang:
Einfluss von Vitamin A auf das Wachstum
ZILE et al. (1977) ernährten junge Ratten mit einer ausgewogenen, aber Vitamin A-freien Ration und stellten während der ersten vier Versuchswochen (VW) normale Gewichtszunahmen fest, ab VW fünf kam es jedoch zu einer konstanten KM oder sogar zu einer Körpermasseabnahme. Die Autoren schlossen daraus, dass die Vitamin A-Reserven im Körper zu diesem Zeitpunkt aufgebraucht waren und Vitamin A für das Wachstum essentiell ist. Die Mechanismen, über die Vitamin A das Wachstum beeinflusst, sind dabei vielfältig. So ist die DNA-Replikationsphase (S-Phase) bei Vitamin A freier Ernährung um 23% (1,5 Stunden) verlängert (ZILE et al. 1977). Die Zugabe von Vitamin A fördert die Rezeptordichte des „epidermal growth factors“ an Gewebszellen (JETTEN 1984) und steigert die Genexpression von Wachstumshormonen um das drei- bis fünffache (BEDO et al. 1989).
Einfluss von Vitamin A auf das Immunsystem
Zahlreiche Zellen des Immunsystems werden durch Vitamin A beeinflusst:
Die Zellteilungsgeschwindigkeit von T-Lymphozyten wird durch Vitamin A erhöht (GARBE et al. 1992; HALEVY et al. 1994).
Die Produktion von Lymphokinen wird durch Vitamin A stimuliert (FORNI et al.
1986).
Vitamin A fördert das Wachstum der B-Lymphozyten (BUCK et al. 1991).
Die Bildung von Antikörpern ist im Vitamin A-Mangel vermindert (SIJTSMA et al.
1990).
Die Phagozytoseaktivität von Monozyten und Makrophagen wird durch Vitamin A erhöht und die Makrophagen werden durch Vitamin A vor Infektionserregern geschützt (CROWLE und ROSS 1989; HATCHIGIAN et al. 1989).
Die zytolytische Aktivität der natürlichen Killerzellen wird durch Vitamin A erhöht (BOWMAN et al. 1990; ZHAO et al. 1994).
Einfluss von Vitamin A auf die Reproduktion
Im Rahmen der Reproduktion ist Vitamin A im weiblichen Organismus essentiell für die Embryonalentwicklung, da die Zellen der Neuralleiste ohne Retinylester zugrunde gehen und sich von der Neuralröhre aus keine Neuriten in die Peripherie erstrecken (MADEN et al.
1996; WHITE et al. 2000). Im männlichen Organismus ist Vitamin A für die Spermatogenese essentiell, da für die Expression des ‚Stimulated by retinoic acid gene 8’ (STRA 8) Vitamin A notwendig ist und ohne das STRA 8-Protein wiederum keine Initiation der Meiose stattfinden kann (GHYSELINCK et al. 2006; HOGARTH und GRISWOLD 2010).
Einfluss von Vitamin A auf den Sehvorgang
Schon 1500 v. Chr. war bekannt, dass mit dem Verzehr von Leber die Nachtblindheit geheilt werden kann (BIESALSKI und GRIMM 2001), doch erst in den 1980er Jahren wurde die Funktion des Vitamin A im Sehvorgang aufgeklärt. Dabei handelt es sich um einen Zyklus, bei dem all-trans-Retinal zu 11-cis-Retinal umgewandelt wird. Im Dunkeln entsteht aus 11- cis-Retinal und Opsin Rhodopsin, welches durch Einfall von Licht über Prälumirhodopsin, Lumirhodopsin, Metarhodopsin I und Metarhodopsin II wieder in 11-cis-retinal und Opsin gespalten wird. Aus diesen Ausgangskomponenten beginnt der Zyklus im Dunklen erneut (WALD 1968). Als Folge der Reaktion schließen sich die Natriumkanäle der Plasmamembran der äußeren Stäbchensegmente, was eine Hyperpolarisation zur Folge hat, die wiederum zum Entstehen eines Nervenimpulses führt (O’BRIAN 1982).
2.2.1.5 Hypovitaminose A
In den entwickelten Ländern wird der Vitamin A Bedarf bei gesunden Menschen üblicherweise gedeckt. Bei Menschen mit PEI und somit auch bei einem Großteil der Kinder mit Mukoviszidose ist ein Mangel an Vitamin A infolge der verminderten Resorption jedoch
nicht selten (CONGDEN et al. 1981; DUTTA et al. 1982). Betrachtet man die in Kapitel 2.2.1.4 aufgeführten Funktionen von Vitamin A, so ist insbesondere den Einflüssen auf das Wachstum und die Immunabwehr erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken. So ist die Entwicklung von Kindern mit Mukoviszidose oftmals bereits aufgrund der verminderten Resorption von Makronährstoffen und somit der verminderten Zufuhr von Energie beeinträchtigt (MÜLLER und BARGON 2008), und das Immunsystem von Mukoviszidosepatienten ist aufgrund der chronischen mikrobiellen Besiedelung der Lunge (CASAULTA et al. 2001) besonders gefordert. Die Versorgung mit Vitamin A bei Kindern mit Mukoviszidose sollte daher unbedingt sichergestellt sein, um die Potenzierung der einzelnen Faktoren zu verhindern. Problematisch ist dabei zum Einen, dass aufgrund der verminderten Resorptionsrate von fettlöslichen Vitaminen bei Vorliegen einer PEI die für gesunde Kinder geltenden Empfehlungen vermutlich nicht ausreichend sind um den Bedarf eines an Mukoviszidose erkrankten Kindes zu decken und zum anderen, dass eine nicht ausreichende Vitamin A-Versorgung erst nach völliger Erschöpfung der Leberreserven zu verringerten Vitamin A Konzentrationen im Serum führt (LI und TSO 2003), was die Diagnose eines Vitaminmangels erschwert bzw. zu Fehleinschätzungen des Vitaminstatus führen kann (s.o.). BOROWITZ et al. (2002) empfehlen daher eine tägliche Vitaminsupplementierung von Patienten mit Mukoviszidose in den in Kapitel 2.1.6.2 beschriebenen Dosierungen.
2.2.2 Vitamin E
2.2.2.1 Vorkommen
Der Begriff Vitamin E umfasst eine Gruppe von Tocol- und Tocotrienolderivaten, wobei das α-Tocopherol die höchste Aktivität aufweist und etwa 90% des Vitamin E im Körper ausmacht (COHN et al. 1992).
Tocopherole werden ausschließlich in Pflanzen synthetisiert. Dabei kommen sie insbesondere in pflanzlichen Ölen (in Form von α-Tocopherol-Acetat), aber auch in den grünen Anteilen von Pflanzen und in Getreiden vor. Über die Aufnahme von pflanzlicher Nahrung gelangt Vitamin E in den tierischen Organismus und in Lebensmittel tierischer Herkunft (SOUCI et al. 2004; PIETRZIK et al. 2008).
2.2.2.2 Stoffwechsel
Die Resorption von Vitamin E findet im Dünndarm, insbesondere am Übergang vom ersten zum mittleren Drittel statt (HOLLANDER et al. 1975; COHN et al. 1992). Dazu wird das hochgradig hydrophobe Vitamin E in die aus Gallensalzen und hydrolysierten Fetten (Monoglyceriden und freien Fettsäuren) bestehende Mizellen eingelagert. Die Monoglyceride und freien Fettsäuren entstehen zuvor durch Hydrolyse von Triglyceriden durch pankreatische Lipasen (COHN et al. 1992). Da ausschließlich α-Tocopherol von der Mucosa aufgenommen werden kann, muss das in der Nahrung vorkommende α-Tocopherol-Acetat zunächst durch pankreatische Esterasen hydrolysiert werden (MULLER et al. 1976). Anschließend wird α- Tocopherol durch passive Diffusion in die Bürstensaummembran aufgenommen (HOLLANDER et al. 1975; MURALIDHARA und HOLLANDER 1977). Eingelagert in Chylomikronen und andere Plasmalipoproteine gelangt α-Tocopherol über das Lymphsystem in den Blutkreislauf und wird in verschiedenen Geweben, wie Fettgewebe und Muskelgewebe, aber auch in der Leber gespeichert (COHN et al. 1992).
Bei sinkenden Konzentrationen an α-Tocopherol wird dieses mittels VLDL aus der Leber transportiert und in den Blutkreislauf abgegeben (COHN et al. 1992). Eine Abgabe von α- Tocopherol aus dem Fettgewebe ins Blut ist dagegen kaum bzw. nur sehr langsam möglich (HANDELMAN et al. 1994).
2.2.2.3 Bedeutung von Vitamin E im Körper
Im Körper ist Vitamin E an zahlreichen biochemischen und zellbiologischen Prozessen beteiligt. Die bekannteste Funktion ist der Schutz von mehrfach ungesättigten Fettsäuren vor Lipidperoxidation (Wirkung als Antioxidans). Bei der Autooxidation von Polyensäuren wird aus der labilen Methylengruppe durch Hitze, Licht oder ionisierende Strahlung ein Wasserstoffatom abgespalten. Durch anschließende Reaktion des entstandenen freien Radikals mit Sauerstoff entsteht ein Peroxylradikal. Durch Abgabe eines phenolischen Wasserstoffes an das Lipidperoxylradikal und Reaktion mit einem weiteren Lipidperoxylradikal verhindert Vitamin E an dieser Stelle, dass eine Kettenreaktion in Gang gesetzt wird, durch die sonst Hydroperoxide in großer Zahl gebildet würden (KRINSKY 1992).
L-OO · + α-tocopherol → L-OOH + α-tocopherol · α-tocopherol · + · L-OO → α-tocopherol-L-OO
2.2.2.4 Hypovitaminose E
Ein Mangel an Vitamin E führt zu einer erhöhten Anfälligkeit der Erytrozytenmembran gegenüber oxidativen Prozessen, wodurch es zur Hämolyse und zur Bildung Heinzscher Innenkörper kommt (MACHLIN 1991).
Auch neurologische Symptome wie Gliederschwäche, Ataxie, Empfindungsverluste in den Gliedmaßen und Beeinträchtigung der Reflexe treten auf (SATYA-MURTI et al. 1986), wobei Kinder mit einer Vitamin E-Malabsorption deutlich früher neurologische Symptome zeigen als Erwachsene (CARPENTER 1985).
Da eine PEI häufig mit verminderten Vitamin E-Plasmakonzentrationen einhergeht (CONGDEN et al. 1981; DUTTA et al. 1982; KARTHOFF 2004), sind Kinder mit Mukoviszidose stark gefährdet, die oben genannten Symptome zu entwickeln. In der Studie von DUTTA et al. (1982) konnten bei 66,6% der Patienten mit PEI niedrigere Vitamin E- Serumwerte festgestellt werden. Allerdings scheint eine durch Vitamin E-Mangel hervorgerufene hämolytische Anämie nur im Säuglingsalter aufzutreten (MONZON und WOODRUFF 1986), und neurologische Symptome können überwiegend bei parallelem Vorliegen einer klinisch manifesten Lebererkrankung oder einer Ileumresektion, wie sie infolge eines Mekoniumileus teilweise durchgeführt werden muss, beobachtet werden (ELIAS et al. 1981; BYE et al. 1985).
2.3 Einfluss der PEI auf diverse Chymusparameter
2.3.1 Keimzahlen und mikrobielle Fermentation von Nährstoffen im GIT
Bis zum Zeitpunkt der Geburt ist der Magen-Darm-Kanal steril. Erst durch den Kontakt zur Umwelt kommt es zur Ansiedelung der gastrointestinalen Keimflora (MACKIE et al. 1999;
EDWARDS und PARRETT 2002), wobei diese individuell durch das Zusammenspiel von Umwelt, Physiologie des Organismus und vorhandenen Nährstoffen entsteht (MACKIE et al.
1999). Grundsätzlich besteht die Mikroflora aus Bakterien, Protozoen und Pilzen (MACKIE et al. 1999; BREVES und DIENER 2010). Während sich die Mikroflora von Mensch und Schwein im Magen und oberen Dünndarm noch unterscheiden, sind sich die beiden Spezies was Keimzahlen und –arten im aboralen Teil des Ileums und im Dickdarm betrifft sehr ähnlich (MOUGHAN et al. 1994). So gibt es beim Schwein - im Unterschied zum Menschen - im Magen eine permanente Mikroflora, bestehend aus Lactobazillen und Streptokokken (TANNOCK 1990). In proximalen Dünndarm kommen physiologischer weise nur geringe Keimzahlen vor, da sich aufgrund des schnellen Chymusflusses keine stationäre Keimflora ansiedeln kann (JENSEN 2001). Die hier vorhandene Mikroflora besteht beim Menschen nach MACKIE et al. (1999) mit 103-105 Keimen/ml überwiegend aus Laktobazillen und Streptokokken, während JENSEN (2001) im Dünndarm von Schweinen bis zu 49% E.coli feststellte. Im Ileum liegen beim Menschen bereits Keimzahlen von 108 Keimen/ml sowie eine größere Diversität an Keimarten vor (MACKIE et al. 1999).
Im Dickdarm ist die Mikroflora mit >1011 Keimen/g sowohl beim Mensch als auch beim Schwein weit ausgeprägter als im Dünndarm, wobei >99% der Bakterien im Dickdarm zu den Anaerobiern zu zählen sind (MACKIE et al. 1999, BECKMANN und RÜFFER 2000).
Häufig auftretende Gattungen sind dabei z.B. Fusobakterium, Bacteroides, E. coli und Streptokokken. Eine Übersicht über die beim Schwein vorkommenden Mikroorganismen in den einzelnen Abschnitten des GIT gibt Tabelle 2.
Beeinflusst wird die Mikroflora der einzelnen Abschnitte des GIT durch zahlreiche Faktoren.
Zum einen hat die Zusammensetzung der Nahrung entscheidende Auswirkungen auf die Mikroflora (BECKMANN und RÜFFER 2000). So führen proteinreiche Diäten zu einem Anstieg der Keimzahlen von hämolysierenden E. coli (PROHASZKA und BARON 1980) und ein hoher Anteil an Proteinträgern tierischer Herkunft zu einer erhöhten Anzahl von Clostridium perfringens (AMTSBERG et al. 1976). Die Gabe von roher Kartoffelstärke führt im Kot von 12 Wochen alten Schweinen zu höheren Keimzahlen an laktatverwertenden Mikroorganismen (BINDER 1982). Bei pankreasgangligierten Schweinen konnten sowohl im praecaecalen (MANDISCHER 2002) als auch im postilealen (FUENTE-DEGE 2003) Bereich signifikant niedrigere Keimzahlen an Laktobazillen festgestellt werden als bei den mit identischem Futter gefütterten gesunden Tieren. Dies führen MÖSSELER et al. (2006) auf die gestörte Fettverdaulichkeit infolge der PEI zurück. Zum anderen beeinflussen auch Haltungs-
und Fütterungsbedingungen sowie das Alter der Tiere die intestinale Mikroflora (VAN DER HEYDE 1973; AWAD-MASALMEH und WILLINGER 1981). Auch ein plötzlicher Futterwechsel kann durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die durch die vorhandene Mikroflora nicht genutzt werden können, zu einer starken Vermehrung von transienten Keimen führen, die residente Bakterienarten verdrängen und teilweise enteropathogen sind.
Dies fällt besonders beim Absetzen von Ferkeln auf, da es zu diesem Zeitpunkt zu einer deutlichen Veränderung des intestinalen Milieus kommt. Eine ausgeprägte Vermehrung von enteropathogenen Keimen ist daher zu diesem Zeitpunkt häufig zu beobachten (NIELSSEN et al. 1968). Und zuletzt sind auch die vielfältigen physikochemischen Faktoren wie Temperatur, O2/CO2-Partialdruck, Redoxpotential, pH-Wert und Peristaltik des Darms zu nennen, die die Mikroflora ebenfalls stark beeinflussen (BECKMANN und RÜFFER 2000).
Tabelle 2: Übersicht über die beim Schwein am häufigsten vorkommenden
Mikroorganismen in Dünndarm, Caecum und Dickdarm in % der Gesamtkeimzahl (nach JENSEN 2001)
Gesamt Dünndarm Caecum Colon
Anteil der häufigsten Isolate (%)
Escherichia coli 22 49 9,6 5,5
Streptococcus alactolyticus 13,5 18,2 10,7 8,4
Prevotella spp. 1 10 0,0 17,0 1,0
Streptococcus hyointestinalis 9,5 11,8 8,1 6,3
Prevotella spp. 1a 2,9 0,0 6,3 4,8
Lactobacillus acidophilus/jonsonii 2,2 0,0 3,2 3,6
Lactobacillus spp. 2 2,0 0,3 1,5 2,2
Selenomonas spp. 1 1,9 0,0 2,3 3,6
Mitsuokella spp. 1,7 0,7 1,9 2,7
Megasphera spp. 1,7 0,0 1,3 3,9
Acidaminococcus fermentans 1,5 0,3 4,2 1,5
Clostridium perfringens 1,5 2,7 1,5 0,4
Eubacterium spp. A 1,1 0,0 1,3 1,4
Prevotella spp. 13 1,1 0,0 0,0 1,3
Bacteroides spp. 1 1,0 0,2 2,7 0,0
Megasphera elsdenii 1,0 0,0 2,5 0,4
Fusobacterium mortiferum 1,0 2,9 0,0 0,0
Eubacterium spp. B 0,4 0,0 1,0 0,9
